устройство для уплотнения зазора ступени паровой турбины

Формула изобретения

1. Устройство для уплотнения зазора ступени паровой турбины, включающее обечайку статора с кольцевой камерой, установленные в камере сегменты уплотнения и пружины, отличающееся тем, что каждый сегмент уплотнения выполнен заодно с пружиной, при этом пружина расположена на первом по направлению вращения рабочих лопаток конце сегмента уплотнения и свободным концом закреплена в стенке кольцевой камеры, а второй конец сегмента уплотнения поджат пружиной следующего по вращению рабочих лопаток сегмента уплотнения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сегмент уплотнения выполнен в виде сотового элемента с непроницаемой уплотняющей поверхностью и боковыми стенками, примыкающими к внутренним стенкам кольцевой камеры и образующими с ней замкнутую полость.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что во впадинах сотовой поверхности сегмента уплотнения выполнены щели.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в стенках кольцевой камеры выполнены входные со стороны высокого и выходные со стороны низкого давления пара отверстия, при этом входные отверстия удалены от уплотняющей поверхности на расстояние большее, чем выходные, а в боковой стенке сегмента уплотнения, примыкающей к выходным отверстиям, выполнены отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при конструировании и модернизации цилиндров среднего и низкого давления паровых турбин.

Известно устройство для уплотнения периферийного радиального зазора ступени паровой турбины, содержащее обечайку статора с уплотняющими гребнями, установленными над бандажом рабочих лопаток, а на бандаже - соответствующие выступы или дополнительные уплотняющие гребни (Щегляев А.В. Паровые турбины. 6-е издание. М.: Энергоатомиздат, 1993. Книга 1. С.277, рис.4.18).

Недостатком известного технического решения является то, что при возникновении задевания бандажом рабочих лопаток уплотняющих гребней при прохождении ротором критических частот в период пуска или останова турбины, а также при переменных режимах работы происходит повреждение уплотняющих гребней и поверхности бандажа или рабочих лопаток, снижение надежности узла уплотнения и увеличение зазора после прекращения задевания, влекущее повышенные протечки пара и ухудшение экономичности ступени турбины.

Известно устройство для уплотнения радиального зазора турбомашины, включающее обечайку статора с кольцевой камерой, в которой неподвижно размещены сегменты сотового уплотнения из пересекающихся под прямым углом тонкостенных пластин, предотвращающих при возникновении задевания повреждение рабочих лопаток за счет разрушения сегментов сотового уплотнения в связи с их более низкими по сравнению с рабочими лопатками удельной прочностью и жесткостью (RU патент 2153112, опубликован 20.07.2000, F 16 J 15/44, F 01 D 11/08).

Недостатком известного технического решения является сложность технологического процесса и необходимость специального оборудования для изготовления элементов сотового уплотнения, а также высокая трудоемкость их сборки. После возникновения задевания, разрушающего сегменты сотового уплотнения, происходит существенное увеличение радиального зазора и снижение экономичности ступени паровой турбины.

Известно устройство для уплотнения ступени или цилиндра паровой турбины, содержащее обойму или обечайку статора с кольцевой камерой, установленные в камере сегменты уплотнения с уплотняющими гребнями и пружины, поджимающие сегменты уплотнения к внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры. Плоские пружины удерживают сегменты уплотнения в рабочем положении, обеспечивая минимально допустимый зазор между статорной и роторной частями турбины и допуская перемещение сегментов внутрь кольцевой камеры при задевании их ротором на малых или критических частотах вращения, благодаря чему снижается износ уплотняющих гребней, сокращается количество теплоты трения и уменьшается степень повреждения как гребней, так и роторной части (Трухний А. Д. Стационарные паровые турбины. 2-е издание. М.: Энергоатомиздат. 1990. С.108, рис.3.53 - прототип).

Недостатками известного технического решения являются, во-первых, повышенный износ уплотняющих гребней при возникновении задевания из-за неравномерного поджатия сегментов уплотнения в связи с приложение усилия пружины только в центральной части сегмента: усилие поджатия на концах сегмента примерно в два раза меньше, чем в его центральной части. Независимость подвески каждого сегмента обусловливает при задевании повышенный износ уплотняющих гребней, поскольку между задним по направлению вращения концом уже утопленного в кольцевую камеру сегмента и передним концом следующего сегмента, до которого вращающаяся поверхность ротора еще не дошла, образуется ступенька уплотняющих гребней.

Во-вторых, конструкция сегментов уплотнения обуславливает большую металлоемкость, а их изготовление связано со значительными трудозатратами, независимо от того - выполняются уплотняющие гребни проточкой сегментного кольца или завальцовкой в заранее проточенные канавки сегментов специальной тонкой спиральной ленты и проволоки из нержавеющей стали.

Заявляемое решение позволяет повысить надежность и экономичность ступени паровой турбины за счет уменьшения износа уплотняющих элементов и сокращения протечек пара через радиальный зазор, а также за счет снижения затрат на изготовление и металлоемкости сегментов уплотнения.

Заявляемое техническое решение позволяет уменьшить износ и повысить надежность элементов уплотнения, а также их ремонтопригодность за счет выполнения каждого сегмента уплотнения заодно с пружиной и двухопорной его подвески - на собственную пружину и пружину следующего по направлению вращения сегмента, обеспечить минимальные протечки пара через радиальный зазор за счет выполнения сегмента уплотнения в виде сотового элемента с непроницаемой уплотняющей поверхностью и боковыми стенками, примыкающими к внутренним стенкам кольцевой камеры и образующими с ней замкнутую полость. Для сохранения целостности сегмента уплотнения при возникновении задевания предлагаемое решение обеспечивает уменьшение сил трения за счет аэродинамического отжатая сегмента уплотнения от вращающейся поверхности путем уменьшения давления пара внутри полости сегмента уплотнения. В ступенях турбин, работающих на влажном паре, сегменты уплотнения уменьшают эрозионные повреждения входных кромок рабочих лопаток последующих ступеней за счет отвода влаги во внутреннюю полость сегмента уплотнения и дальнейшего вывода ее из проточной части.

Предложено устройство для уплотнения зазора ступени паровой турбины, включающее обечайку статора с кольцевой камерой, установленные в камере сегменты уплотнения и пружины. При этом каждый сегмент уплотнения выполнен заодно с пружиной, расположенной на первом по направлению вращения рабочих лопаток конце сегмента уплотнения и свободным концом закрепленной в стенке кольцевой камеры. Второй конец сегмента уплотнения поджат пружиной следующего по вращению рабочих лопаток сегмента уплотнения. Сегмент уплотнения выполнен в виде сотового элемента с непроницаемой уплотняющей поверхностью и боковыми стенками, примыкающими к внутренним стенкам кольцевой камеры и образующими с ней замкнутую полость. Для ступени турбины, работающей во влажном паре, во впадинах сотовой поверхности сегмента уплотнения выполнены щели. В стенках кольцевой камеры выполнены входные со стороны высокого и выходные со стороны низкого давления пара отверстия, при этом входные отверстия удалены от уплотняющей поверхности на расстояние, большее, чем выходные, а в боковой стенке сегмента уплотнения, примыкающей к выходным отверстиям, выполнены отверстия.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:

На фиг.1 - устройство для уплотнения радиального зазора ступеней с необандаженными (а) и обандаженными (б) рабочими лопатками.

На фиг.2 - расположение сегментов уплотнения в кольцевой камере обечайки статора в плоскости вращения рабочих лопаток.

На фиг.3 - устройство для уплотнения радиального зазора ступени, работающей во влажном паре.

На фиг.4 - устройство для уплотнения радиального зазора ступени с аэродинамическим поджатием и отжатием сегментов уплотнения.

Устройство для уплотнения зазора ступени паровой турбины включает обечайку статора 1 с кольцевой камерой 2. Внутри кольцевой камеры расположены сегменты уплотнения 3. На первом по направлению вращения рабочих лопаток конце каждого из сегментов уплотнения выполнена заодно с ним пружина 4, свободный конец которой закреплен в пазу 5 наружной цилиндрической стенки кольцевой камеры 2. Второй конец сегмента уплотнения 3 поджат пружиной следующего по направлению вращения рабочих лопаток сегмента уплотнения. Пружины 4 поджимают сегменты уплотнения 3 к внутренней цилиндрической стенке кольцевой камеры 2, при этом между уплотняющей поверхностью сегментов 3 и периферийными кромками необандаженных рабочих лопаток 6 или бандажом обандаженных рабочих лопаток 7 образуется минимально допустимый зазор b.

Сегменты уплотнения 3 установлены в кольцевой камере 2 так, что у каждого из них второй конец поджат пружиной следующего сегмента, при этом образуется перекрытие уплотнительной поверхностью одного сегмента уплотнительной поверхности другого сегмента на величину l_z, которая зависит от длины и жесткости самого сегмента уплотнения. При такой установке в кольцевой камере 2 сегментов уплотнения 3 каждый из них поджат двумя пружинами и таким образом образуют подвижную упругую систему вдоль всего периметра уплотнения.

Сегменты уплотнения 3 выполнены в виде сотовых элементов с непроницаемой уплотняющей поверхностью и боковыми стенками, примыкающими к внутренним стенкам кольцевой камеры 2 и образующими с ней замкнутую полость. Использование сотового элемента для уплотняющей поверхности сегмента существенно снижает по сравнению с другими видами бесконтактных уплотнений протечки через радиальный зазор, а удаление поперечных кромок сотового элемента от рабочих лопаток на большую величину, чем продольных - расположенных вдоль вращения - уменьшает опасность повреждения сегмента уплотнения при возникновении задевания: в этом случае периферийные кромки рабочих лопаток скользят по продольным кромкам сотового элемента. Форма продольных кромок сотовой поверхности, а также расстояние между продольными кромками обусловлены требованием наименьшего коэффициента расхода для паровой протечки и определяются величиной радиального зазора b.

Пружина 4, выполненная заодно с передним концом сегмента уплотнения 3, имеет вдоль своей длины переменную ширину, обеспечивающую равное сопротивление изгибу. Свободный конец пружины 4 загнут, что создает надежное зацепление с пазом 5 в стенке кольцевой камеры 2.

В устройстве для уплотнения зазора ступени, работающей во влажном паре, в сотовой поверхности сегмента уплотнения 3 непосредственно во впадинах продольных кромок расположены в шахматном порядке щели 8 (на фиг.3 все щели условно изображены в одной плоскости) с острыми кромками, а кольцевая камера 2 соединена дренажной линией с полостью меньшего давления (на фиг.3 не показана). В каждой впадине сотового элемента предусмотрена одна щель длиной 10-20 мм и шириной 1,5-2,0 мм.

В ступенях с высокими окружными скоростями периферийных сечений рабочих лопаток, в частности в ступенях части низкого давления мощных паровых турбин, где возникновение задевания сопровождается выделением значительной теплоты трения и интенсивным воздействием лопаток на сотовую поверхность сегментов, в стенках кольцевой камеры 2 выполнены входные 9 со стороны высокого и выходные 10 со стороны низкого давления пара отверстия, при этом входные отверстия 9 удалены от уплотняющей поверхности сегментов 3 на расстояние, большее, чем выходные отверстия 10, а в боковой стенке сегмента уплотнения, примыкающей к выходным отверстиям 10, выполнены отверстия 11. Отверстия 9, 10, 11 имеют форму щелей, расположенных вдоль сегмента, а ширина этих щелей не должна быть больше величины утопления сегмента уплотнения 3 в кольцевую камеру 2 при возникновении задевания сотовых элементов рабочими лопатками.

Учитывая то, что уплотнение радиальных зазоров ступени является одним из наиболее напряженных элементов проточной части, часто требующих восстановления при ремонте турбины, в предложенном устройстве предусмотрена конструкция сегмента уплотнения, позволяющая применять при изготовлении наиболее производительную и дешевую технологию - штамповку - и тем самым существенно снизить затраты на материал, а также на производство и установку сегментов уплотнения на турбинной ступени. Материалом для сегмента уплотнения служит тонколистовая нержавеющая сталь соответствующего класса с толщиной листа 0,2-0,5 мм. В случае необходимости повышенной жесткости сегмент уплотнения выполняется с внутренними поперечными ребрами или в виде замкнутого каркаса.

Для части среднего давления турбины, где ступени работают в зоне повышенных температур и материал сегмента может иметь пониженную упругость, возможно изготовление пружины из специального листового материала и присоединение ее к уплотнительной части сегмента контактной сваркой. Поскольку сегменты имеют полую конструкцию и малый вес, не требуется большого усилия для прижатия их к внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры. Усилие пружины должно преодолевать возникающие под действием перепада давления пара на уплотнение силы трения между стенками сегмента и кольцевой камеры.

Установку на турбине устройства для уплотнения радиального зазора ступени выполняют в два этапа. На первом этапе изготавливают обечайку с кольцевой камерой и укрепляют ее над рабочими лопатками ступени. На втором этапе в кольцевую камеру заводят сегменты уплотнения. При этом используют технологическую пластину и зажим специальной формы, в котором закрепляют второй (без пружины) конец сегмента уплотнения и заводят его в кольцевую камеру со стороны горизонтального разъема. Чтобы предотвратить попадание пружины в поперечные пазы на внешней цилиндрической поверхности кольцевой камеры, под пружину подкладывают технологическую пластину. При доведении сегмента до места его установки зажим удаляют, из-под пружины извлекают технологическую пластину и продвигают тангенциальным усилием сегмент до тех пор, пока он не станет на свое место, а пружина окажется в соответствующем пазу.

В случае замены поврежденного сегмента уплотнения разборку устройства производят в обратном порядке, предварительно оттянув пружину, выведя ее из своего паза и закрепив в специальном зажиме.

Работа устройства для уплотнения зазора ступени паровой турбины осуществляется следующим образом (фиг.1, 2). В режимах, когда турбина несет нагрузку, давление пара P₁ перед рабочими лопатками 6 превышает давление пара P₂ за ними. Величина протечки пара через радиальное уплотнение определяется разностью этих давлений и величиной радиального зазора b, которая устанавливается равной минимально допустимой с учетом зазора ротора в подшипниках, температуры проточной части и удлинения рабочих лопаток при вращении на номинальной скорости.

При переменных режимах, а также при развороте ротора на пусках и прохождении им критических частот может возникнуть ситуация, когда перемещение рабочих лопаток 6 в радиальном направлении окажется больше радиального зазора b и возникнет задевание лопатками 6 сотовой поверхности сегментов уплотнения 3. Под действием рабочих лопаток 6 сегмент уплотнения 3, преодолевая усилие пружин 4, будет одновременно несколько сдвинут по вращению и утоплен внутрь кольцевой камеры 2. Поскольку скольжение периферийных кромок рабочих лопаток 6 осуществляется по продольным гребням сотовой поверхности и при малых усилиях поджатия пружин 4, сегмент уплотнения 3 сохраняет свою целостность и после прекращения контакта с лопатками 6 возвращается в исходное положение, восстанавливает первоначальную величину радиального зазора b, прежний расход пара в радиальной протечке, следовательно, и экономичность ступени.

В ступенях влажного пара предложенное устройство по фиг.3, уплотняя радиальный зазор с сохранением сегментов уплотнения при задеваниях, одновременно способствует удалению влаги из проточной части и снижению эрозионных повреждений входных кромок рабочих лопаток последующих ступеней. Рабочие лопатки 6 жидкую фазу, осевшую из влажного пара на их профильную поверхность и движущуюся по ней в виде пленок и срывающихся капель, отбрасывают в радиальный зазор b, где влага, концентрируясь во впадинах сотовой поверхности сегментов уплотнения 3, поступает через щели 8 внутрь кольцевой камеры 2. Проникновению влаги через щели 8 способствует также более низкое, чем в зазоре b, давление пара в кольцевой камере 2, соединенной с полостью меньшего давления и отводящей туда влагу. Конструкция сотовой поверхности такова, что поступившая внутрь кольцевой камеры 2 жидкость уже не может вернуться в радиальный зазор b. Она скапливается внутри вершин гребней и по ним стекает в нижнюю половину кольцевой камеры 2, откуда вместе с небольшой долей пара отводится за пределы проточной части.

Устройство для уплотнения зазора согласно фиг.4 целесообразно для ступеней низкого давления мощных паровых турбин, где периферийные кромки рабочих лопаток 6 работают с высокими окружными скоростями, и при задевании происходит интенсивный нагрев и истирание уплотняющих поверхностей. Для ослабления этого процесса усилие прижатия сегментов уплотнения 3 к периферийным кромкам лопаток 6 при их контакте должно быть уменьшено или полностью исключено. При нормальной работе ступени между гребнями сотовой поверхности сегментов 3 и рабочими лопатками 6 устанавливается минимально допустимый зазор b (фиг.4а). Пар из пространства перед рабочими лопатками поступает через отверстия 9 в кольцевую камеру 2, где устанавливается давление Р_сP₁. Поскольку давление в кольцевой камере 2 Р_с больше среднего давления в радиальном зазоре b, паровое усилие воздействует на сегмент уплотнения 3 в одном направлении с пружиной 4 и усиливает его прижатие к внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры 2.

При возникновении задевания рабочие лопатки 6 утапливают сегмент уплотнения 3 внутрь кольцевой камеры 2 (фиг.4б). При этом входные отверстия 9 перекрываются стенкой сегмента 3, а напротив выходных отверстий 10 в кольцевой камере 2 устанавливаются отверстия 11 в стенке сегмента 3. Давление пара Р_с в кольцевой камере 2 падает и становится меньше среднего давления в радиальном зазоре b. Паровое усилие на сотовую поверхность со стороны радиального зазора b начинает действовать в направлении, обратном усилию от пружины 4. Результирующая сила контактирования сегментов уплотнения 3 с кромками лопаток 6 уменьшается или исчезает полностью, что способствует сохранению целостности сотовых элементов сегментов уплотнения 3. Оптимальная величина парового усилия на сегмент уплотнения 3 выбирается заранее соотношением площадей входных 9 и выходных 10 отверстий. При малом по сравнению с пружиной 4 паровом усилии определяющей силой в зоне контакта сегмента уплотнения 3 с лопатками 6 будет усилие от пружины 4. При паровом усилии, превышающем усилие пружины 4, задевание приведет к тому, что сегменты уплотнения 3 будут отжаты от рабочих лопаток 6 внутрь кольцевой камеры 2 и оставаться там после прекращения контакта с лопатками 6 и возвращения лопаток 6 в нормальное положение. Для приведения сегментов уплотнения 3 в исходное состояние необходимо понижение давления пара P₁ перед лопатками 6, что произойдет при снижении нагрузки на турбину, например, в период суточного провала графика нагрузок на электростанцию.